LTE-U技術(shù)調(diào)研概論

1、LTE-U技術(shù)調(diào)研 摘要 本文在 LTE-U 技術(shù)提出的背景上，首先介紹了 LTE-U 基本原理，后續(xù)重點 研究了 LTE-U的兒項關(guān)鍵技術(shù)，最后分析了 LTE-U 的技術(shù)優(yōu)勢，并指出了其發(fā) 展道路。 關(guān)鍵詞 LTE-U：信道共享；接入技術(shù)；載波聚合 Technical Investigation of LTE Unlicensed Abstract“This paper begins with a discussion of the background of LTE-U , followed by introducing the basic principles of LTEU Then

2、, some key technologies of LTE-U were researched Finally , this paper summarized and analyzed the technical advantages , and pointed to the development direction of LTE-U Key WordsLTE-U： channel sharing； access technology； carrier aggregation 1 背景 隨著移動智能設(shè)備的飛速發(fā)展、無線用戶數(shù)量的急劇增長、高清晰多媒體流 業(yè)務(wù)的快速涌現(xiàn)等等，使得日益增長的無

3、線需求與昂貴有限的授權(quán)頻譜之間的矛 盾日益凸顯，為了緩解授權(quán)移動網(wǎng)絡(luò)的壓力，利用資源相對豐富的免授權(quán)頻段來 應(yīng)對高數(shù)據(jù)量的挑戰(zhàn)成為一種思路，各運營商已通過在免授權(quán)頻譜上部署 Wi-Fi (高保真無線上網(wǎng))等系統(tǒng)來減輕無線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，從而通過免授權(quán)頻譜來分流 無線業(yè)務(wù)。 一方面，技術(shù)改善可以帶來移動網(wǎng)絡(luò)性能的提升，另一個方面，尋求更多的 頻譜資源也能提升移動通信性能。頻譜資源之于無線通信，就如同石油之于地球 一樣，是決定無線帶寬的根本，頻段越寬，傳輸速率越快，系統(tǒng)吞吐量越大。然 而，分配給運營商的頻譜資源非常有限且高額，運營商絞盡腦汁地充分利用來之 不易的頻譜資源，但即便如此也很難滿足日益增長的

4、用戶需求。在國內(nèi)運營商中， 中國移動的 LTE 頻譜資源合計 130MHz,中國聯(lián)通合計 90MHz,中國電信合計 100MHz,而 WiFi部署在的免授權(quán)頻譜資源，2.4GHz 頻段附近約 90MHz 可用， 5GHz 頻段附近有 900MHz 之多。相對十分豐富且免費的免授權(quán)頻譜足以驅(qū)使運 營商、設(shè)備商去積極研發(fā)相關(guān)技術(shù)和設(shè)備。 將 LTE部署到免授權(quán)頻段，在免授權(quán)頻段上采用 LTE空口協(xié)議完成通信， 即免授權(quán)載波上的 LTE,簡稱 LTE-U (LTE Advanced in Unlicensed Spectrums )o 采用 LTE-U技術(shù)，可以利用集中調(diào)度、干擾協(xié)調(diào)、自適應(yīng)請求重傳

5、(HARQ) 等技術(shù)，相比 WiFi等接入技術(shù)，LT&U系統(tǒng)具有更好的魯棒性，可以獲得更高 的頻譜效率，提供更大的覆蓋范圉以及更好的用戶體驗。 U前，已經(jīng)有許多公司以及研究機構(gòu)向 3GPP提出在免授權(quán)頻段部署 LTE 技術(shù)，即 LTE-U,來加速 LTE 的室內(nèi)傳輸。主要的候選方案有：授權(quán)輔助接入 (LAA)、雙連接(DC)、免授權(quán)輔助接入(Standalone)技術(shù)等，LTE-U 作為第 五代移動通信系統(tǒng)(5G)增強技術(shù)，吸引了全世界范圍內(nèi)移動通信研究 11 作者 的廣泛關(guān)注。 2 LTE-U 基本原理 同 WiFi相比，LTE部署在未授權(quán)頻段具有很大優(yōu)勢：從用戶角度看，LTE-U 聯(lián)合 L

6、TE 將會提供給用戶更高的數(shù)據(jù)速率、更好的覆蓋性能、更高的可靠性， 這毫無疑問將會是一種完美的用戶體驗；從移動運營商角度看，核心網(wǎng)同時運行 于授權(quán)和未授權(quán)頻段，這將十分便于移動網(wǎng)絡(luò)的運營管理與升級。本部分將重點 介紹 LTE-U 的頻段選擇、信道共享、接入方式和場景部署等基本原理。 2.1 免授權(quán)頻段選擇 選擇合適的免授權(quán)頻段部署 LTE-U是我們考慮的首要問題，首先低于 6GHz 頻段能夠較好的抵抗路徑衰落，2.4GHz 附近已被 Wi-Fi 以及藍牙等接入技術(shù)密 集占用，5GHz 頻段附近被 WLAN占用， 最適合部署 LTE-U 的頻段是 5-6GHz, 尤其是靠近 6GHz的頻段。世界

7、各地區(qū)免授權(quán)頻譜分析見表 2.1： 表 1 5GHz附近免授權(quán)頻譜分析 頻段 5150-5250MHZ 5250-5350MHZ 5470-5725MHZ 5725-5825MHZ 有效全向輻射功率 (EIRP) 17/23dBm 23/30dBm 23/30dBm 23/30/36dBm 美國/加拿大 室內(nèi) 室內(nèi)/室外 室內(nèi)/室外 室內(nèi)/室外 歐盟 室內(nèi) 室內(nèi) 室內(nèi)/室外 / 日本 室內(nèi) 室內(nèi) 室內(nèi)/室外 / 中國 室內(nèi) 室內(nèi) / 室內(nèi)/室外 印度 室內(nèi) 室內(nèi) / 室內(nèi)/室外 澳大利亞 室內(nèi) 室內(nèi)/室外 室內(nèi)/室外 室內(nèi)/室外 表 1 總結(jié)了世界范圍內(nèi)的兒個重點國家對于 5GHz 附近的免授

8、權(quán)頻譜的占用 情況，綜合考量之下，在我國，部署 LTE-U的首選免授權(quán)頻段是 5725-5825MHZ, 其次是5470-5725MHZ頻段。 2.2 頻譜公平使用問題 221不同接入技術(shù)之間的共存 LTE-U在 5GHz免授權(quán)頻段部署時面臨的首要問題就是同其他接入技術(shù)的共 存問題，ET&U 與現(xiàn)有接入技術(shù)(如 WiFi 系統(tǒng))實現(xiàn)免授權(quán)頻段的公平使用是 二者共存的前提。 當(dāng)前的 LTE 系統(tǒng)是連續(xù)傳輸?shù)模潘缘氖褂檬跈?quán)頻譜，且不與其他運營 商和無線接入技術(shù)共享頻譜資源，然而免授權(quán)頻譜是開放性的資源，允許任何無 線接入技術(shù)使用，如果 LTE不做任何處理直接占用免授權(quán)頻譜資源，會違背免授權(quán)頻段

9、使用的法規(guī)要求， 對部署在免授權(quán)頻段的其他無線接入系統(tǒng)是不公平 的。 LTEU可以利用 CSAT （載波感應(yīng)自適應(yīng)傳輸）技術(shù)同 Wi-Fi等接入技術(shù)共 享可用信道。 222不同運營商之間的共存 眾所周知，免授權(quán)頻段是開放式接入頻譜資源，只要工作在免授權(quán)頻段上的 無線設(shè)備滿足國家或區(qū)域的有關(guān)規(guī)定，無需經(jīng)過認(rèn)證，用戶終端或設(shè)備便可使用 免授權(quán)頻段，這意味著免授權(quán)頻段不限制運營商的類型和數(shù)量，同一區(qū)域免授權(quán) 頻段上可能同時存在多 RAT 系統(tǒng)占用的情況，如果要將 ETE-U 部署在免授權(quán)頻 段，那么就需要考慮不同運營商之間的友好共存問題。 在 LTE-U 的部署中，可以將免授權(quán)頻段按頻段劃分給不同運

10、營商，還可以 按照時間和頻段進行聯(lián)合劃分。如圖 2.2所示： 圖 1 劃分頻段給運營商 圖 1 中可見，可以按照頻段將免授權(quán)頻譜進行時間上的永久劃分，分給不同 的運營商，這種劃分方法簡單易行，但頻譜的利用率不高；另外可以根據(jù)不同運 營商的業(yè)務(wù)情況，將免授權(quán)頻譜資源進行時間和頻段上的聯(lián)合劃分，這種劃分方 式復(fù)雜度高于前一種方式，但能夠獲得更高的頻譜利用率。 2.3 LTE-U接入方式 LTE-U可選擇不同的接入方式，這里重點介紹 LAA （授權(quán)輔助接入），LAA 是一種實現(xiàn)授權(quán)頻段與免授權(quán)頻段高效共用的頻譜使用方案。 LAA采用載波聚 合 （CA）技術(shù)，聚合授權(quán)頻譜和免授權(quán)頻譜，如圖 2所示：運

11、營麗A 運営商C 運營浙D 運營商A 運裁商B 運背商C 運營商D 圖 2 授權(quán)輔助接入示意圖 授權(quán)頻段作為主載波單元（PCC）傳送關(guān)鍵信息和保證 QoS,免授權(quán)頻段作 為輔載波單元（SCC）,可配置成下行補充鏈路或上行和下行鏈路，提供額外的 無線資源。山圖 2可見，免授權(quán)頻譜資源山基站集中調(diào)度分配，通過媒體訪問控 制（MAC）單元的激活/去激活操作免授權(quán)頻譜的使用和釋放，動態(tài)的使用資源。 利用 LAA,當(dāng) LAA 基站激活免授權(quán)頻譜資源時，ETE 在此免授權(quán)頻譜上傳 輸蜂窩數(shù)據(jù)；當(dāng) LAA基站去激活免授權(quán)頻譜資源時，Wi-Fi等其他接入系統(tǒng)便 可以使用免授權(quán)頻譜資源，從而實現(xiàn)各接入技術(shù)靈活使

12、用免授權(quán)頻譜的 U的。 2.4 場景部署 LTEU可采用兩種不同的場景部署，如圖 3所示: ET&U 通過在室外設(shè)置小型基站，山運營商來完成接入，這與 WiFi 等接入 技術(shù)由用戶自主完成接入不同。 此外，LT&U可以采用共建架構(gòu)， 同 LTE共用 同一基站，該方式能大大降低 LTE-U 的架構(gòu)成本和運營成本；也可以采用非共 建架構(gòu)，在 LTE宏小區(qū)中搭建足夠數(shù) U的 LTE-U微小區(qū)基站。 3 LTE-U 關(guān)鍵技術(shù) 作為 LTE系統(tǒng)在免授權(quán)頻譜上的演進結(jié)果，LTE-U 將會繼承 LTE系統(tǒng)的許 多先進技術(shù)。同時，為了與現(xiàn)有運行于免授權(quán)頻譜上的其他通信系統(tǒng)實現(xiàn)信道共 享，LTE-U將會引入自己

13、獨特的信道共享策略。 3.1 集中調(diào)度技術(shù) LTE-U使用了集中調(diào)度的技術(shù)，即時間、空間、頻譜等無線資源由基站集中 控制集中分配，終端之間無需競爭資源。與 LTE-U 釆用的集中調(diào)度相反，Wi-Fi 采用了搶占式調(diào)度技術(shù)，在服務(wù)用戶數(shù)較少的情況下，該調(diào)度技術(shù)可以體現(xiàn)出其 優(yōu)越性，但當(dāng)用戶數(shù)超過基站可以服務(wù)的能力之后，山于無法同時響應(yīng)這些用戶 的請求，便可能會出現(xiàn)服務(wù)器崩潰的后果；同時，隨著服務(wù)用戶的增多還會導(dǎo)致 碰撞現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，致使資源利用效率的大大降低。 針對 WiFi技術(shù)這一系列的調(diào)度問題，LTE-U由于釆用了集中調(diào)度，所以不 存在數(shù)據(jù)碰撞的現(xiàn)象，這將會有效的避免了資源的浪費；對于用戶

14、密集的地區(qū)， 為了提升 LTE-U基站的服務(wù)能力， 我們可以通過增加基站， 來分擔(dān)單個基站的 負(fù)荷。 與 Wi-Fi相比，在調(diào)度技術(shù)方面，LTE-U便有了明顯的優(yōu)勢。 3.2 ICIC （干擾協(xié)調(diào)）技術(shù) ETE-U系統(tǒng)中的 ICIC （干擾協(xié)調(diào)）技術(shù)主要是通過對系統(tǒng)資源（時頻資源、 功率等）進行限制和協(xié)調(diào)，根據(jù)不同用戶的具體情況，合理的進行資源塊和功率 的分配，已達到相鄰小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的目的。 具體而言，ICIC 技術(shù)為了增大小區(qū)邊緣的容量，我們采用了頻率復(fù)用的方 法，ETEU 系統(tǒng)中頻率復(fù)用因子選為 3。如圖 4 所示，相鄰小區(qū)間采用了不同的 頻段，從而可以很好地避免相鄰小區(qū)頻率間干擾。為了

15、進一步限制小區(qū)間干擾， 基站通過發(fā)射功率指示（RNTP）來通知其相鄰小區(qū)的下行干擾情況，相鄰小區(qū) 基站在收到指示信號后會根據(jù)干擾情況來進一步調(diào)整自身發(fā)射功率。 圖 4 ICIC 原理示意 如圖 5 所示，在 LTE 宏小區(qū)中，為了提升小區(qū)邊緣服務(wù)質(zhì)量，LTE-U 系統(tǒng) 采用elCIC 策略該方案的原理是把一個或多個子幀配置為空子幀（ABS）, 這類 ABS子偵專門為微小區(qū)、微微小區(qū)、家庭基站小區(qū)邊緣的 UE提供服務(wù)， 從而有效的避免來自宏小區(qū)的主要干擾，能夠有效提升小區(qū)邊緣 UE的服務(wù)速率。 圖 5 elCIC 原理示意圖 而在 Wi-Fi 系統(tǒng)中，AP 搶占到資源后占用全部頻譜資源，從而沒有

16、辦法在 頻率上進行協(xié)調(diào)。盡管 AP 能夠在時間上進行資源協(xié)調(diào)，但山于存在競爭與回退 的問題，會導(dǎo)致系統(tǒng)資源的浪費。 3.3 自適應(yīng)重傳請求（HARQ）技術(shù) 采用自適應(yīng)重傳請求（HARQ）技術(shù)，當(dāng)物理層數(shù)據(jù)塊傳錯時，LTE-U接收 端不會丟棄傳錯的數(shù)據(jù)塊，而會等待重傳的數(shù)據(jù)塊的到來。接收端在接收到重傳 的數(shù)據(jù)塊之后會進行合并操作。 HARQ 技術(shù)可以有效的利用之前的傳輸能量，從而提高能量效率和傳輸成功 率。與 WiFi 系統(tǒng)中直接丟棄錯誤數(shù)據(jù)塊的策略相比，LTE-U 在能量效率與傳輸 成功率上要更勝一籌。 3.4 CA （載波聚合）技術(shù) 商用 LTE網(wǎng)絡(luò)起始于 Cat3和 Cat4|71,起初

17、LTE并未使用 CA （載波聚合） 技術(shù)，圖 6 顯示的是 CA技術(shù)的商用歷程。從圖中我們可以明顯看岀隨著 CA技 術(shù)的應(yīng)用，LTE系統(tǒng)的容量得到了成倍的提升，這無疑將會給用戶帶來很好的上 網(wǎng)體驗。0 1 2 3 1 For 4 For UE UE 39 40 41 42 subframe For UE2 For UE3 圖 6 CA 技術(shù)商用歷程 在起初的 C“t4中，ETE使用的是 20MHz 連續(xù)頻譜，到了 2013 年 CA技術(shù) 第一次岀現(xiàn)在 LTE系統(tǒng)中，首次實現(xiàn)了兩個 10MHz 頻譜的聚合，之后通過不斷 發(fā)展演進，使用 CA技術(shù)聚合的頻帶越來越寬，使系統(tǒng)的容量逐年成倍的增長。 在

18、頻譜資源稀缺的今天，為實現(xiàn)頻譜資源的高效利用，運行于免授權(quán)頻譜上 的ETE-U系統(tǒng)同樣將會釆用 CA技術(shù)。具體而言，ETE-U可以將授權(quán)頻帶作為 主載波，終端跟基站可以在授權(quán)頻帶上建立無線資源控制連接，通過載波感知獲 取當(dāng)前空閑的免授權(quán)頻帶資源，從而可以將其作為輔助載波用于數(shù)據(jù)的傳輸。 3.5 信道共享策略 UTE-U運行于免授權(quán)頻譜上必將與 Wi-Fi系統(tǒng)出現(xiàn)信道沖突的局面，為解決 這一問題，LTE-U將會采用多種信道共享的策略。前，已經(jīng)被提出的解決方案 有 LBT、CSAT、DFS、TPC 同。 在 Wi-Fi 和 LTE-U 密集部署的小區(qū)，LTE-U 系統(tǒng)可能無法檢測到空閑的信 道，在

19、這種情況下，LT&U可以通過 CSAT （載波感知自適應(yīng)傳輸）技術(shù)來實現(xiàn) 與同一小區(qū)和相鄰小區(qū)的 Wi-Fi或 LTE-U信道共享。對于 CSAT 機制，其定義了 一個發(fā)送循環(huán)周期，在這個循環(huán)周期里，ETE-U只用一部分時間間隔進行數(shù)據(jù)的 傳輸，其中傳輸執(zhí)行與傳輸停止的占空比是山小區(qū)內(nèi)其他傳輸系統(tǒng)的活動程度決 定的，這樣就可以確保信道的共享和服務(wù)的質(zhì)量。 圖7 CSAT原理圖 如圖 8所示，在下行鏈路傳輸過程中，山基站端進行載波偵聽，在確保免授 權(quán)頻段空閑的情況下，基站才會使用其進行數(shù)據(jù)的傳輸；與此類似，上行鏈路中 免授權(quán)頻段的偵聽工作山用戶端來完成。LTE-U ON LTE-U OFF LT

20、E-U ON LTE-U OFF LTE-U ON LTE-U WiFi LTE-U WiFi LTE-U CSAT TDM Cycle Adaptive ON/OFF Time Cat4 圖 8 LTE-U 幀結(jié)構(gòu) 為了更加有效的實現(xiàn)信道共享，我們還可以將 CSAT 與 LBT 傳輸機制進行 有效的結(jié)合，如圖 9所示。 DFS9信道共享方案則是為了實現(xiàn)與非 IMT 系統(tǒng)（如雷達系統(tǒng)）的信道共享; TPC 則可以作為以上兒種信道共享機制的輔助方案，聯(lián)合控制實現(xiàn)信道的共享。 4 LTE-U 技術(shù)優(yōu)勢 LTE-U延續(xù)了 LTE標(biāo)準(zhǔn)中的一系列優(yōu)勢技術(shù)，這為系統(tǒng)性能的提升做了堅 實的后盾。在 LTE系

21、統(tǒng)的載波聚合技術(shù)與生態(tài)小區(qū)已經(jīng)十分成熟的今天，這使 得在微小區(qū)中部署 LTE-U系統(tǒng),并且實現(xiàn)與授權(quán)頻譜的聚合成為可能。山于大 部分免授權(quán)頻譜在世界范圍內(nèi)的通用性，這將會使得該技術(shù)更易推廣。同時， ETEU支持為快速移動的用戶提供服務(wù)，并且可以實現(xiàn)小區(qū)間的無縫接入，在這 些方面，其他免授權(quán)頻譜上的接入技術(shù)都是無法比擬的。 隨著無線網(wǎng)絡(luò)部署的越來越密集，各種系統(tǒng)間的干擾將會變得越發(fā)嚴(yán)重，干 擾協(xié)調(diào)將會成為制約系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵之一。山于 LTE-U服務(wù)將山運營商進 行提供， PDDCCH Pcell DL Licensed Band LTE subframe | A 卞r 丨丨 LJ 1 H U

22、plink is scheduled ahead by k subframes UL UL Scell Unlicensed Band UE sensing(LBT) eNB sensing(LBT) 圖 9 LBT與 CSAT結(jié)合原理圖 同 Wi-Fi等接入技術(shù)相比，干擾協(xié)調(diào)將會容易很多。在干擾協(xié)調(diào)的基礎(chǔ) 上，ETE-U結(jié)合了集中調(diào)度技術(shù)、CA、HARQ、QoS 保證技術(shù)，這些優(yōu)勢都將 保障系統(tǒng)獲得更高的頻譜效率，更大的系統(tǒng)容量，從而帶來更好的用戶體驗。 在 ETEU 網(wǎng)絡(luò)部署方面，我們可以充分利用現(xiàn)有的 ETE 設(shè)備，當(dāng)然我們需 要對 ETE空中接口協(xié)議進行一定的修改，以便使得 LTE可以

23、順利運行在免授權(quán) 頻譜上，這對運營降低成本來說將會是一個明智的選擇，對于用戶也將會獲得巨 大的受益。同時，山于 LTE-U采用了很多免授權(quán)頻譜共享機制， 這都將為 ETE-U 的推廣起到助力的作用，使得 UTE系統(tǒng)可以更加平滑的演進，為 4G向 5G的跨 越奠定堅實的基礎(chǔ)。 5 LTE-U 發(fā)展之路 從 LTE-U的技術(shù)優(yōu)勢來看，似乎 LTE-U大有迅速取代 Wi-Fi等接入技術(shù)的 趨勢，但是 WiFi等接入技術(shù)也不會停滯不前； 另外， 企業(yè)網(wǎng)市場也存在“獨立 運營 LTE-U的需求，未來在免授權(quán)載波的使用上競爭將更加激烈。 在部署與發(fā)展 LTE-U的道路上，應(yīng)該充分考慮并利用 LTE的技術(shù)優(yōu)勢，如 調(diào)度技術(shù)、CA、HARQ 等等，其次增加一些必要技術(shù)，如 LBT、DFS、TPC 等, 也要考慮一些抗干擾技術(shù)，如擴頻技術(shù)等等。另外，許多非技術(shù)上的因素也要加 以考慮，如不同國家對免授權(quán)頻段的開放、 LTE-U的成本優(yōu)勢、 運營商對于引進 LTE-U的顧慮等等。 6 結(jié)束語 本文首先介紹了